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高中化学第1节 化学反应的热效应第2课时学案设计
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这是一份高中化学第1节 化学反应的热效应第2课时学案设计，共15页。学案主要包含了盖斯定律，摩尔燃烧焓，能源等内容，欢迎下载使用。
1.通过对热化学方程式的学习,掌握用热化学方程式表示反应中的能量变化方法,能运用反应焓变合理选择和利用化学反应。
2.通过对盖斯定律的学习,掌握反应焓变的简单计算,了解盖斯定律及其简单应用。
学习任务1 探究热化学方程式
1.定义:热化学方程式是表示反应中各物质的物质的量和反应热的关系的化学方程式。
2.含义:既能表示化学反应中的物质变化又能表示化学反应中的能量变化。
3.举例:已知298 K、101 kPa下,热化学方程式为H2(g)+Cl2(g)2HCl(g) ΔH=-183 kJ·ml-1,其表示在298 K、101 kPa条件下,1 ml H2与 1 ml Cl2完全反应生成 2 ml气态HCl时放出的热量是 183 kJ。
微点拨:(1)焓变与温度和压强等测定条件有关,所以书写时必须指明反应的温度和压强(298 K、101 kPa可不注明)。
(2)ΔH的符号及单位:符号“吸正放负”,单位为kJ·ml-1或kJ/ml。
1860年在德国卡尔斯鲁厄召开第一次国际化学科学会议,但仍没能对一些基本问题取得统一。意大利化学家康尼查罗发送的小册子中系统论证了原子—分子论和测定相对原子质量的方法,从而决定性地证明“事实上,只有一门化学科学和一套相对原子质量”。随即这一学说得到了化学界的普遍承认,直接导致了元素周期律和化学结构理论的诞生。从此化学符号的写法与化学方程式的使用逐渐走向统一,为各国化学家普遍采用,成为世界通用的化学语言,从而极大地推动了现代化学的发展。化学符号的演变、完善、普及过程,充分反映了人类对物质世界认识的发展过程,反映了化学的进步。从化学方程式到热化学方程式都有哪些不同呢?我们一起来进行探究。
探究1 热化学方程式与普通化学方程式的区别
问题1:为什么热化学方程式要标出物质状态?
提示:物质状态不同则能量(焓)不同,焓变也就不同。
问题2:热化学方程式系数可不可以用分数?系数是否一定是最简整数比?
提示:热化学方程式系数可以使用分数,也可以不是最简整数比。
探究2 对可逆反应的ΔH的认识与理解
问题3:已知可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),1 ml氮气与3 ml氢气充分反应,能否完全反应?
提示:由于可逆反应在一定条件下同时向正、逆两个方向进行,所以不能完全反应。
问题4:热化学方程式N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·ml-1中,ΔH是否是1 ml 氮气与3 ml 氢气完全反应的ΔH?
提示:可逆反应的ΔH是按照完全反应来考虑的,题述热化学方程式指的是1 ml氮气与3 ml氢气完全反应,放热92.4 kJ。
热化学方程式正误判断的方法
题点一 热化学方程式
1.(2021·安徽宿州期中)下列有关热化学方程式的叙述错误的是( D )
A.CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-890.3 kJ·ml-1,则16 g甲烷完全燃烧生成CO2气体和水蒸气,放出的热量小于890.3 kJ
B.若P4(s,白磷)4P(s,红磷) ΔH=-29.2 kJ·ml-1,则红磷比白磷稳定
C.若H+(aq)+OH-(aq)H2O(l) ΔH=-57.3 kJ·ml-1,则稀硫酸与稀氨水混合生成1 ml水,放出的热量小于57.3 kJ
D.在一定条件下,CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-90.6 kJ·ml-1,则2 ml H2和过量CO置于密闭容器中充分反应放出热量90.6 kJ
解析:16 g甲烷的物质的量n=16 g16 g·ml-1=1 ml,完全燃烧生成CO2气体和液态水,放出的热量为 890.3 kJ,由于水从液态转化为气态需吸热,则放出的热量小于890.3 kJ,A正确;能量越低物质越稳定,白磷生成红磷放出热量,则白磷能量高,红磷比白磷稳定,B正确;一水合氨是弱电解质,电离吸热,则稀硫酸与稀氨水混合生成1 ml水,放出的热量小于57.3 kJ,C正确;该反应是可逆反应,2 ml H2不能完全反应,放出热量小于90.6 kJ,D错误。
2.(2021·陕西铜川期中)锂(Li)在能源、航天等工业上应用广泛。已知1 g固态Li完全燃烧生成固态Li2O时放出热量为42.9 kJ。则Li燃烧的热化学方程式正确的是( D )
A.2Li+12O2Li2O
ΔH=-85.8 kJ·ml-1
B.2Li(s)+12O2(g)Li2O(s)
ΔH=+85.8 kJ·ml-1
C.2Li(s)+12O2(g)Li2O(g)
ΔH=-600.6 kJ·ml-1
D.Li(s)+14O2(g)12Li2O(s)
ΔH=-300.3 kJ·ml-1
解析:1 g固态Li的物质的量为17 ml,完全燃烧生成固态Li2O时放出热量为42.9 kJ,故Li(s)+14O2(g)12Li2O(s) ΔH=-42.9×7 kJ·ml-1=-300.3 kJ·ml-1,故选D。
题点二 反应的ΔH大小判断
3.(2021·天津期中)下列各组热化学方程式中,化学反应的ΔH前者大于后者的是( C )
①C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1;
C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2
②S(s)+O2(g)SO2(g) ΔH3;
S(g)+O2(g)SO2(g) ΔH4
③H2(g)+12O2(g)H2O(l) ΔH5;
2H2(g)+O2(g)2H2O(l) ΔH6
④CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) ΔH7;
CaO(s)+H2O(l)Ca(OH)2(s) ΔH8
A.①B.④
C.②③④D.①②③
解析:①两个反应都为放热反应,ΔH<0,前者完全反应,放出的热量多,则ΔH1<ΔH2;②两个反应都为放热反应,ΔH<0,前者S为固态,放出的热量少,则ΔH3>ΔH4;③两个反应都为放热反应,前者反应物系数较小,放出的热量较少,则ΔH5>ΔH6;④前者为吸热反应,ΔH7>0,后者为放热反应,ΔH8<0,则ΔH7>ΔH8。根据以上分析可知,反应的ΔH前者大于后者的是②③④,故选C。
4.已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.3 kJ·ml-1,则NH3(g)12N2(g)+32H2(g)的焓变为( A )
A.+46.2 kJ·ml-1B.-46.2 kJ·ml-1
C.+92.3 kJ·ml-1D.-92.3 kJ·ml-1
解析:正反应是放热反应,则逆反应是吸热反应,吸热和放热的系数相同,N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.3 kJ·ml-1,则2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH=+92.3 kJ·ml-1,由于焓变与系数有关,所以NH3(g)12N2(g)+32H2(g)的焓变约为+46.2 kJ·ml-1,故A符合题意。
物质状态与ΔH大小判断
因为固体液体气体,所以等量物质固态→液态→气态的焓(H)越来越高。根据ΔH=H(生成物)-H(反应物)即可判断同一反应不同状态下ΔH的大小关系。例如S(s)+O2(g)SO2(g) ΔH1与S(g)+O2(g)SO2(g) ΔH2,等物质的量的固态S与气态S,后者的焓大,由于S是反应物,所以H(反应物)越大ΔH越小,因此ΔH2<ΔH1。
学习任务2 盖斯定律与摩尔燃烧焓
一、盖斯定律
1.盖斯定律:一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成,反应热都是一样的。
微点拨:盖斯定律不仅适用于化学变化,也适用于物理变化。例如,1 ml冰升华表示为H2O(s)H2O(g) ΔH1,可以认为其分2步进行,首先H2O(s)H2O(l) ΔH2,然后H2O(l)H2O(g) ΔH3,根据盖斯定律有ΔH1=ΔH2+ΔH3。
2.盖斯定律的理解:由于ΔH=H(生成物)-H(反应物),又因为H只与物质种类及其温度和状态有关系,所以反应物转化为生成物时,只要生成物温度、状态相同,则其H就相同,显然ΔH也相同,与中间路径无关。
二、摩尔燃烧焓
1.概念:在一定反应温度和压强条件下,1 ml纯物质完全氧化为同温下的指定产物时的焓变。
微点拨:指定产物是N元素氧化为N2(g)、H元素氧化为H2O(l)、C元素氧化为CO2(g)。
2.摩尔燃烧焓的单位:kJ·ml-1或kJ/ml。
3.摩尔燃烧焓的意义
例如,甲烷的摩尔燃烧焓(298 K、101 kPa)为-890.3 kJ·ml-1,它表示298 K、101 kPa时,1 ml CH4(g)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)时放出890.3 kJ的热量。
4.表示摩尔燃烧焓的热化学方程式的书写
书写表示摩尔燃烧焓的热化学方程式时,以燃烧1 ml 纯物质为标准来配平其余物质的系数,同时纯物质要完全燃烧且生成“指定产物”。例如,氢气的摩尔燃烧焓的热化学方程式为H2(g)+12O2(g)H2O(l) ΔH=-285.8 kJ·ml-1。
三、能源
盖斯生于瑞士日内瓦,后移居俄国。1840年,盖斯在大量实验的基础上,总结出了盖斯定律。盖斯定律的内容是化学反应所吸收或放出的热量,仅与反应的始态和终态有关,而与反应完成所经历的路径无关。
探究 盖斯定律及盖斯定律计算焓变的方法
问题1:已知C与氧气不完全燃烧生成CO,但是实际同时也会产生CO2。那么能通过实验测定2C(s)+O2(g)2CO(g)的ΔH吗?
提示:因为无法控制反应产物,所以不能测定此反应的ΔH,一些产物难以控制的反应或极慢的反应,其ΔH极难通过实验方法测定。
问题2:虚拟过程法计算焓变可以把一个反应过程虚拟为几个子反应过程,例如把C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1虚拟为C先发生不完全燃烧生成CO,然后CO再燃烧变为CO2。写出上述热化学方程式及其焓变之间的关系。
提示:C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2、CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH3;ΔH1=ΔH2+ΔH3或用箭头图可以表示为,类似于向量计算或物理上受力分析的三角形法则。
问题3:方程式叠加法计算焓变通过ΔH已知的热化学方程式的“系数改变”及“加减法运算”得到“目标方程式”,要计算ΔH的热化学方程式称为“目标方程式”,焓变也做相同改变及加减。
例如已知:
①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH1=-890.3 kJ·ml-1;
②H2(g)+12O2(g)H2O(l)
ΔH2=-285.8 kJ·ml-1。
求③CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(l)的ΔH3。
提示:由盖斯定律得③=4×②-①,所以ΔH3=4×ΔH2-ΔH1=-252.9 kJ·ml-1。
叠加法盖斯定律计算焓变的两种思路
以问题3中反应为例。
思路一:关键技巧是从目标方程式出现次数最少的物质进行考虑。目标方程式③中CO2在已知热化学方程式①、②中出现过1次,H2出现过1次,O2与H2O出现过2次。目标方程式中CO2在“”左侧,系数为1,因此已知热化学方程式①需要“颠倒过来”即-①;H2在“”左侧,系数为4,所以已知热化学方程式②需要乘以4,则有③=4×②-①,据此计算焓变。
思路二:通过观察,目标方程式中没有O2,因此通过消除O2即可得到目标方程式。显然热化学方程式②乘以4,热化学方程式①颠倒过来与之相加即可消除O2得到目标方程式,据此计算焓变。
题点一 利用盖斯定律计算焓变
1.(2021·天津南开中学期中)已知反应:
①H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH1
②12N2(g)+O2(g)NO2(g) ΔH2
③12N2(g)+32H2(g)NH3(g) ΔH3
则反应2NH3(g)+72O2(g)2NO2(g)+3H2O(g)的ΔH为( D )
A.2ΔH1+2ΔH2-2ΔH3
B.ΔH1+ΔH2-ΔH3
C.3ΔH1+2ΔH2+2ΔH3
D.3ΔH1+2ΔH2-2ΔH3
解析:根据盖斯定律,3×①+2×②-2×③可得2NH3(g)+72O2(g)2NO2(g)+3H2O(g) ΔH=3ΔH1+2ΔH2-2ΔH3,故选D。
2.(2021·江西宜春月考)已知:
①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-Q1 kJ·ml-1
②H2(g)+12O2(g)H2O(g)
ΔH=-0.5Q2 kJ·ml-1
③H2(g)+12O2(g)H2O(l)
ΔH=-0.5Q3 kJ·ml-1
常温下取体积之比为4∶1的甲烷和氢气的混合气体11.2 L(标准状况),经完全燃烧后恢复到室温,则放出的热量(单位:kJ)为( A )
+0.05Q3+0.05Q2
+0.1Q3+0.2Q2
解析:混合气体的物质的量为11.2 L22.4 L·ml-1=0.5 ml,根据相同条件下,体积之比等于物质的量之比,则甲烷为0.4 ml,氢气为0.1 ml,完全燃烧后恢复至室温,水为液态,根据反应①计算,0.4 ml甲烷放出0.4Q1 kJ的热量,根据反应③计算,0.1 ml氢气放出0.05Q3 kJ的热量,则放出总热量为(0.4Q1+0.05Q3)kJ,故选A。
题点二 摩尔燃烧焓
3.(2021·河南濮阳月考)下列对于2C4H10(g)+13O2(g)8CO2(g)+10H2O(l) ΔH=-5 800 kJ·ml-1的叙述错误的是( D )
A.该反应的反应热为ΔH=-5 800 kJ·ml-1,是放热反应
B.该反应的ΔH与各物质的状态有关,与系数也有关
C.该式的含义:25 ℃、101 kPa下,2 ml C4H10气体完全燃烧生成CO2和液态水时放出热量 5 800 kJ
D.该反应为丁烷燃烧的热化学方程式,由此可知丁烷的摩尔燃烧焓为-5 800 kJ·ml-1
解析:该反应为丁烷燃烧的热化学方程式,丁烷的摩尔燃烧焓是1 ml丁烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水放出的热量,由此可知丁烷的摩尔燃烧焓为-2 900 kJ·ml-1,故D错误。
4.(2021·山西英才学校月考)下列关于热化学反应的描述中正确的是( D )
A.已知H+(aq)+OH-(aq)H2O(l) ΔH=-57.3 kJ·ml-1,则H2SO4和Ba(OH)2反应的反应热ΔH=2×(-57.3)kJ·ml-1
B.燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的热化学方程式是CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g) ΔH=-192.9 kJ·ml-1,则CH3OH(g)的摩尔燃烧焓为192.9 kJ·ml-1
C.已知2H2O(g)2H2(g)+O2(g) ΔH=+571.6 kJ·ml-1,则H2(g)的摩尔燃烧焓是285.8 kJ·ml-1
D.葡萄糖的摩尔燃烧焓是2 800 kJ·ml-1,则12C6H12O6(s)+3O2(g)3CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1 400 kJ·ml-1
解析:H2SO4与Ba(OH)2反应除有H+与OH-反应放热外,生成BaSO4沉淀亦放热,故ΔH<2×(-57.3) kJ·ml-1,故A错误;甲醇未完全生成稳定的氧化物,H元素应生成H2O(l),故B错误;可表示为H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH=-285.8 kJ·ml-1,而水为气态,所以不是H2的摩尔燃烧焓,故C错误;葡萄糖的摩尔燃烧焓是指1 ml葡萄糖完全燃烧放出的热量,热化学方程式中C6H12O6(s)的系数为12,则ΔH=-1 400 kJ·ml-1,故D正确。
【知识整合】
1.热化学方程式的书写步骤
(1)写——写出配平的化学方程式。
(2)标——标出各物质的状态(若温度不是298 K,压强不是101 kPa也要标出)。
(3)注——注明ΔH正负号、数值、单位。
2.盖斯定律
(1)内容:一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成,其ΔH均相同。
(2)应用:计算反应热(尤其是难以通过实验测定ΔH的反应)。
【易错提醒】
1.误认为ΔH的单位是kJ。其实ΔH的单位是kJ·ml-1或J·ml-1,热量单位是kJ或J。
2.误认为改变热化学方程式的系数后,ΔH不会随之改变。其实热化学方程式的系数可以不是最简整数比,也可以是分数,但是要注意系数和ΔH做一致改变,系数变为多少倍,ΔH也变为多少倍,热化学方程式“颠倒”,ΔH正负号换号。
3.误认为可逆反应的焓变是未完全反应的焓变。其实可逆反应的ΔH是根据完全反应时的吸、放热确定的。
4.盖斯定律不仅适用于化学变化,也适用于物理变化。
1.通过对热化学方程式的学习,掌握用热化学方程式表示反应中的能量变化方法,能运用反应焓变合理选择和利用化学反应。
2.通过对盖斯定律的学习,掌握反应焓变的简单计算,了解盖斯定律及其简单应用。
学习任务1 探究热化学方程式
1.定义:热化学方程式是表示反应中各物质的物质的量和反应热的关系的化学方程式。
2.含义:既能表示化学反应中的物质变化又能表示化学反应中的能量变化。
3.举例:已知298 K、101 kPa下,热化学方程式为H2(g)+Cl2(g)2HCl(g) ΔH=-183 kJ·ml-1,其表示在298 K、101 kPa条件下,1 ml H2与 1 ml Cl2完全反应生成 2 ml气态HCl时放出的热量是 183 kJ。
微点拨:(1)焓变与温度和压强等测定条件有关,所以书写时必须指明反应的温度和压强(298 K、101 kPa可不注明)。
(2)ΔH的符号及单位:符号“吸正放负”,单位为kJ·ml-1或kJ/ml。
1860年在德国卡尔斯鲁厄召开第一次国际化学科学会议,但仍没能对一些基本问题取得统一。意大利化学家康尼查罗发送的小册子中系统论证了原子—分子论和测定相对原子质量的方法,从而决定性地证明“事实上,只有一门化学科学和一套相对原子质量”。随即这一学说得到了化学界的普遍承认,直接导致了元素周期律和化学结构理论的诞生。从此化学符号的写法与化学方程式的使用逐渐走向统一,为各国化学家普遍采用,成为世界通用的化学语言,从而极大地推动了现代化学的发展。化学符号的演变、完善、普及过程,充分反映了人类对物质世界认识的发展过程,反映了化学的进步。从化学方程式到热化学方程式都有哪些不同呢?我们一起来进行探究。
探究1 热化学方程式与普通化学方程式的区别
问题1:为什么热化学方程式要标出物质状态?
提示:物质状态不同则能量(焓)不同,焓变也就不同。
问题2:热化学方程式系数可不可以用分数?系数是否一定是最简整数比?
提示:热化学方程式系数可以使用分数,也可以不是最简整数比。
探究2 对可逆反应的ΔH的认识与理解
问题3:已知可逆反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g),1 ml氮气与3 ml氢气充分反应,能否完全反应?
提示:由于可逆反应在一定条件下同时向正、逆两个方向进行,所以不能完全反应。
问题4:热化学方程式N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·ml-1中,ΔH是否是1 ml 氮气与3 ml 氢气完全反应的ΔH?
提示:可逆反应的ΔH是按照完全反应来考虑的,题述热化学方程式指的是1 ml氮气与3 ml氢气完全反应,放热92.4 kJ。
热化学方程式正误判断的方法
题点一 热化学方程式
1.(2021·安徽宿州期中)下列有关热化学方程式的叙述错误的是( D )
A.CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-890.3 kJ·ml-1,则16 g甲烷完全燃烧生成CO2气体和水蒸气,放出的热量小于890.3 kJ
B.若P4(s,白磷)4P(s,红磷) ΔH=-29.2 kJ·ml-1,则红磷比白磷稳定
C.若H+(aq)+OH-(aq)H2O(l) ΔH=-57.3 kJ·ml-1,则稀硫酸与稀氨水混合生成1 ml水,放出的热量小于57.3 kJ
D.在一定条件下,CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-90.6 kJ·ml-1,则2 ml H2和过量CO置于密闭容器中充分反应放出热量90.6 kJ
解析:16 g甲烷的物质的量n=16 g16 g·ml-1=1 ml,完全燃烧生成CO2气体和液态水,放出的热量为 890.3 kJ,由于水从液态转化为气态需吸热,则放出的热量小于890.3 kJ,A正确;能量越低物质越稳定,白磷生成红磷放出热量,则白磷能量高,红磷比白磷稳定,B正确;一水合氨是弱电解质,电离吸热,则稀硫酸与稀氨水混合生成1 ml水,放出的热量小于57.3 kJ,C正确;该反应是可逆反应,2 ml H2不能完全反应,放出热量小于90.6 kJ,D错误。
2.(2021·陕西铜川期中)锂(Li)在能源、航天等工业上应用广泛。已知1 g固态Li完全燃烧生成固态Li2O时放出热量为42.9 kJ。则Li燃烧的热化学方程式正确的是( D )
A.2Li+12O2Li2O
ΔH=-85.8 kJ·ml-1
B.2Li(s)+12O2(g)Li2O(s)
ΔH=+85.8 kJ·ml-1
C.2Li(s)+12O2(g)Li2O(g)
ΔH=-600.6 kJ·ml-1
D.Li(s)+14O2(g)12Li2O(s)
ΔH=-300.3 kJ·ml-1
解析:1 g固态Li的物质的量为17 ml,完全燃烧生成固态Li2O时放出热量为42.9 kJ,故Li(s)+14O2(g)12Li2O(s) ΔH=-42.9×7 kJ·ml-1=-300.3 kJ·ml-1,故选D。
题点二 反应的ΔH大小判断
3.(2021·天津期中)下列各组热化学方程式中,化学反应的ΔH前者大于后者的是( C )
①C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1;
C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2
②S(s)+O2(g)SO2(g) ΔH3;
S(g)+O2(g)SO2(g) ΔH4
③H2(g)+12O2(g)H2O(l) ΔH5;
2H2(g)+O2(g)2H2O(l) ΔH6
④CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g) ΔH7;
CaO(s)+H2O(l)Ca(OH)2(s) ΔH8
A.①B.④
C.②③④D.①②③
解析:①两个反应都为放热反应,ΔH<0,前者完全反应,放出的热量多,则ΔH1<ΔH2;②两个反应都为放热反应,ΔH<0,前者S为固态,放出的热量少,则ΔH3>ΔH4;③两个反应都为放热反应,前者反应物系数较小,放出的热量较少,则ΔH5>ΔH6;④前者为吸热反应,ΔH7>0,后者为放热反应,ΔH8<0,则ΔH7>ΔH8。根据以上分析可知,反应的ΔH前者大于后者的是②③④,故选C。
4.已知N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.3 kJ·ml-1,则NH3(g)12N2(g)+32H2(g)的焓变为( A )
A.+46.2 kJ·ml-1B.-46.2 kJ·ml-1
C.+92.3 kJ·ml-1D.-92.3 kJ·ml-1
解析:正反应是放热反应,则逆反应是吸热反应,吸热和放热的系数相同,N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.3 kJ·ml-1,则2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH=+92.3 kJ·ml-1,由于焓变与系数有关,所以NH3(g)12N2(g)+32H2(g)的焓变约为+46.2 kJ·ml-1,故A符合题意。
物质状态与ΔH大小判断
因为固体液体气体,所以等量物质固态→液态→气态的焓(H)越来越高。根据ΔH=H(生成物)-H(反应物)即可判断同一反应不同状态下ΔH的大小关系。例如S(s)+O2(g)SO2(g) ΔH1与S(g)+O2(g)SO2(g) ΔH2,等物质的量的固态S与气态S,后者的焓大,由于S是反应物,所以H(反应物)越大ΔH越小,因此ΔH2<ΔH1。
学习任务2 盖斯定律与摩尔燃烧焓
一、盖斯定律
1.盖斯定律:一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成,反应热都是一样的。
微点拨:盖斯定律不仅适用于化学变化,也适用于物理变化。例如,1 ml冰升华表示为H2O(s)H2O(g) ΔH1,可以认为其分2步进行,首先H2O(s)H2O(l) ΔH2,然后H2O(l)H2O(g) ΔH3,根据盖斯定律有ΔH1=ΔH2+ΔH3。
2.盖斯定律的理解:由于ΔH=H(生成物)-H(反应物),又因为H只与物质种类及其温度和状态有关系,所以反应物转化为生成物时,只要生成物温度、状态相同,则其H就相同,显然ΔH也相同,与中间路径无关。
二、摩尔燃烧焓
1.概念:在一定反应温度和压强条件下,1 ml纯物质完全氧化为同温下的指定产物时的焓变。
微点拨:指定产物是N元素氧化为N2(g)、H元素氧化为H2O(l)、C元素氧化为CO2(g)。
2.摩尔燃烧焓的单位:kJ·ml-1或kJ/ml。
3.摩尔燃烧焓的意义
例如,甲烷的摩尔燃烧焓(298 K、101 kPa)为-890.3 kJ·ml-1,它表示298 K、101 kPa时,1 ml CH4(g)完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)时放出890.3 kJ的热量。
4.表示摩尔燃烧焓的热化学方程式的书写
书写表示摩尔燃烧焓的热化学方程式时,以燃烧1 ml 纯物质为标准来配平其余物质的系数,同时纯物质要完全燃烧且生成“指定产物”。例如,氢气的摩尔燃烧焓的热化学方程式为H2(g)+12O2(g)H2O(l) ΔH=-285.8 kJ·ml-1。
三、能源
盖斯生于瑞士日内瓦,后移居俄国。1840年,盖斯在大量实验的基础上,总结出了盖斯定律。盖斯定律的内容是化学反应所吸收或放出的热量,仅与反应的始态和终态有关,而与反应完成所经历的路径无关。
探究 盖斯定律及盖斯定律计算焓变的方法
问题1:已知C与氧气不完全燃烧生成CO,但是实际同时也会产生CO2。那么能通过实验测定2C(s)+O2(g)2CO(g)的ΔH吗?
提示:因为无法控制反应产物,所以不能测定此反应的ΔH,一些产物难以控制的反应或极慢的反应,其ΔH极难通过实验方法测定。
问题2:虚拟过程法计算焓变可以把一个反应过程虚拟为几个子反应过程,例如把C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1虚拟为C先发生不完全燃烧生成CO,然后CO再燃烧变为CO2。写出上述热化学方程式及其焓变之间的关系。
提示:C(s)+12O2(g)CO(g) ΔH2、CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH3;ΔH1=ΔH2+ΔH3或用箭头图可以表示为,类似于向量计算或物理上受力分析的三角形法则。
问题3:方程式叠加法计算焓变通过ΔH已知的热化学方程式的“系数改变”及“加减法运算”得到“目标方程式”,要计算ΔH的热化学方程式称为“目标方程式”,焓变也做相同改变及加减。
例如已知:
①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH1=-890.3 kJ·ml-1;
②H2(g)+12O2(g)H2O(l)
ΔH2=-285.8 kJ·ml-1。
求③CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(l)的ΔH3。
提示:由盖斯定律得③=4×②-①,所以ΔH3=4×ΔH2-ΔH1=-252.9 kJ·ml-1。
叠加法盖斯定律计算焓变的两种思路
以问题3中反应为例。
思路一:关键技巧是从目标方程式出现次数最少的物质进行考虑。目标方程式③中CO2在已知热化学方程式①、②中出现过1次,H2出现过1次,O2与H2O出现过2次。目标方程式中CO2在“”左侧,系数为1,因此已知热化学方程式①需要“颠倒过来”即-①;H2在“”左侧,系数为4,所以已知热化学方程式②需要乘以4,则有③=4×②-①,据此计算焓变。
思路二:通过观察,目标方程式中没有O2,因此通过消除O2即可得到目标方程式。显然热化学方程式②乘以4,热化学方程式①颠倒过来与之相加即可消除O2得到目标方程式,据此计算焓变。
题点一 利用盖斯定律计算焓变
1.(2021·天津南开中学期中)已知反应:
①H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH1
②12N2(g)+O2(g)NO2(g) ΔH2
③12N2(g)+32H2(g)NH3(g) ΔH3
则反应2NH3(g)+72O2(g)2NO2(g)+3H2O(g)的ΔH为( D )
A.2ΔH1+2ΔH2-2ΔH3
B.ΔH1+ΔH2-ΔH3
C.3ΔH1+2ΔH2+2ΔH3
D.3ΔH1+2ΔH2-2ΔH3
解析:根据盖斯定律,3×①+2×②-2×③可得2NH3(g)+72O2(g)2NO2(g)+3H2O(g) ΔH=3ΔH1+2ΔH2-2ΔH3,故选D。
2.(2021·江西宜春月考)已知:
①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-Q1 kJ·ml-1
②H2(g)+12O2(g)H2O(g)
ΔH=-0.5Q2 kJ·ml-1
③H2(g)+12O2(g)H2O(l)
ΔH=-0.5Q3 kJ·ml-1
常温下取体积之比为4∶1的甲烷和氢气的混合气体11.2 L(标准状况),经完全燃烧后恢复到室温,则放出的热量(单位:kJ)为( A )
+0.05Q3+0.05Q2
+0.1Q3+0.2Q2
解析:混合气体的物质的量为11.2 L22.4 L·ml-1=0.5 ml,根据相同条件下,体积之比等于物质的量之比,则甲烷为0.4 ml,氢气为0.1 ml,完全燃烧后恢复至室温,水为液态,根据反应①计算,0.4 ml甲烷放出0.4Q1 kJ的热量,根据反应③计算,0.1 ml氢气放出0.05Q3 kJ的热量,则放出总热量为(0.4Q1+0.05Q3)kJ,故选A。
题点二 摩尔燃烧焓
3.(2021·河南濮阳月考)下列对于2C4H10(g)+13O2(g)8CO2(g)+10H2O(l) ΔH=-5 800 kJ·ml-1的叙述错误的是( D )
A.该反应的反应热为ΔH=-5 800 kJ·ml-1,是放热反应
B.该反应的ΔH与各物质的状态有关,与系数也有关
C.该式的含义:25 ℃、101 kPa下,2 ml C4H10气体完全燃烧生成CO2和液态水时放出热量 5 800 kJ
D.该反应为丁烷燃烧的热化学方程式,由此可知丁烷的摩尔燃烧焓为-5 800 kJ·ml-1
解析:该反应为丁烷燃烧的热化学方程式,丁烷的摩尔燃烧焓是1 ml丁烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水放出的热量,由此可知丁烷的摩尔燃烧焓为-2 900 kJ·ml-1,故D错误。
4.(2021·山西英才学校月考)下列关于热化学反应的描述中正确的是( D )
A.已知H+(aq)+OH-(aq)H2O(l) ΔH=-57.3 kJ·ml-1,则H2SO4和Ba(OH)2反应的反应热ΔH=2×(-57.3)kJ·ml-1
B.燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的热化学方程式是CH3OH(g)+12O2(g)CO2(g)+2H2(g) ΔH=-192.9 kJ·ml-1,则CH3OH(g)的摩尔燃烧焓为192.9 kJ·ml-1
C.已知2H2O(g)2H2(g)+O2(g) ΔH=+571.6 kJ·ml-1,则H2(g)的摩尔燃烧焓是285.8 kJ·ml-1
D.葡萄糖的摩尔燃烧焓是2 800 kJ·ml-1,则12C6H12O6(s)+3O2(g)3CO2(g)+3H2O(l) ΔH=-1 400 kJ·ml-1
解析:H2SO4与Ba(OH)2反应除有H+与OH-反应放热外,生成BaSO4沉淀亦放热,故ΔH<2×(-57.3) kJ·ml-1,故A错误;甲醇未完全生成稳定的氧化物,H元素应生成H2O(l),故B错误;可表示为H2(g)+12O2(g)H2O(g) ΔH=-285.8 kJ·ml-1,而水为气态,所以不是H2的摩尔燃烧焓,故C错误;葡萄糖的摩尔燃烧焓是指1 ml葡萄糖完全燃烧放出的热量,热化学方程式中C6H12O6(s)的系数为12,则ΔH=-1 400 kJ·ml-1,故D正确。
【知识整合】
1.热化学方程式的书写步骤
(1)写——写出配平的化学方程式。
(2)标——标出各物质的状态(若温度不是298 K,压强不是101 kPa也要标出)。
(3)注——注明ΔH正负号、数值、单位。
2.盖斯定律
(1)内容:一个化学反应无论是一步完成还是分几步完成,其ΔH均相同。
(2)应用:计算反应热(尤其是难以通过实验测定ΔH的反应)。
【易错提醒】
1.误认为ΔH的单位是kJ。其实ΔH的单位是kJ·ml-1或J·ml-1,热量单位是kJ或J。
2.误认为改变热化学方程式的系数后,ΔH不会随之改变。其实热化学方程式的系数可以不是最简整数比,也可以是分数,但是要注意系数和ΔH做一致改变,系数变为多少倍,ΔH也变为多少倍,热化学方程式“颠倒”,ΔH正负号换号。
3.误认为可逆反应的焓变是未完全反应的焓变。其实可逆反应的ΔH是根据完全反应时的吸、放热确定的。
4.盖斯定律不仅适用于化学变化,也适用于物理变化。
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